VCSEL星型網絡的混沌同步特性研究

中國電子科技集團公司第二十研究所 黨 杰 李宏亮

隨著通信和信息技術的快速發展，如何提高光通信系統的安全性已經成為當前學術界研究的熱點問題。由于半導體激光器產生的混沌光信號具有獨特的類隨機性和寬帶特性，而垂直腔表面激光發射器(VCSEL)是一類易于二維集成且低成本的新型激光器。因此，研究VCSEL網絡的混沌同步特性，對于提高光通信的安全性具有重要理論意義和實用價值。

本文主要介紹了VCSEL的結構和主要工作特性，并對VCSEL的混沌同步特性進行研究。通過MATLAB仿真軟件，針對星型網絡激光器研究反饋強度、電流強度等參數對同步性能的影響。

1 垂直腔面發射激光器的結構及其主要工作特性

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，全名為垂直腔面發射激光器，它的主要材料是砷化鎵半導體，具有廣泛的應用前景，VCSEL結構如圖1所示。

圖1 典型的VCSEL結構示意圖

VCSEL具有閾值特性。與傳統光源相比，閾值電流低，只有幾毫安。當偏置電流小于閾值電流時輸出光光線十分微弱且為非相干光，光譜范圍大，頻率成分多。當偏置電流大于閾值電流時，激光器正常工作，輸出光為一種頻率的相干光。

VCSEL具有偏振開關特性。由于VCSEL結構的特異性，研究發現，垂直腔面激光發射器在各個方向上的差異性比較小，在整個橫模空間內可以說是對稱的，根據輸出光互相垂直的特性，將這兩種偏振模式分別定義為X模式和Y模式。這兩種不同的偏振模式對外界條件的改變比較敏感，電流強度、反饋強度的改變都會引起偏振模式的改變。為了解決這個問題，研究者發現可以用偏振分束器將VCSEL的這個偏振特性的不利之處轉換為有利的特性，X，Y兩種不同的偏振模式恰好是兩個不同的信道，可以利用這兩個不同的信道來實現雙信道數據傳輸。

2 VCSELs星形網絡系統及理論

本文提出的基于VCSELs的星型網絡如圖2所示。

圖2 VCSELs星型混沌網絡系統模型圖

如圖2所示，2-VCSEL為中心激光器，1-VCSEL、3-VCSEL、4-VCSEL為節點激光器。

其中，1、3、4激光器不考慮自反饋，假設1-VCSEL與2-VCSEL之間的反饋時延與2-VCSEL與1-VCSEL之間的反饋時延相同，列寫出四個激光器的速率方程，如(1)～(4)：

上述四個方程分別表示1、2、3、4四個激光器的速率方程，下述兩個方程為四個激光器通用的公式，如(5)～(6)。

下標x，y分別表示x，y偏振模式，E是緩慢變化的場的復振幅，N是導帶與介帶之間的總載流子的反演，n是自旋之間的差異和下自旋載體反演輻射通道，k是場的衰減率，α是線寬度增強因子，γ是總載流子數量的衰減率，γs是自旋翻轉率，γa和γP代表二色性和雙折射線性各向異，τxy是x-VCSEL和y-VCSEL之間的傳播延遲時間。Ηxy是從x-VCSEL到y-VCSEL的注射率，分別地，μ是標準化注入電流(μ在閾值的值為1)，ν是激光的光頻，Δν是兩個不同激光器的頻差。簡化起見，所有VCSEL參數被認為是相同的。

混沌同步是檢測一個混沌通信系統安全性能的重要指標。在混沌網絡中，同步系數可以確定VCSELs之間對應線偏模的同步效果，用公式(7)描述1-VCSEL與2-VCSEL之間的同步系數：

其中Δt表示移動時間，括號表示時間平均，I=E2表示輸出強度，C12表示1-VCSEL與2-VCSEL之間的同步系數。同步效果越好，C的值就越大，C=1說明系統完全同步。

3 不同參數的改變對混沌同步的影響

3.1 電流強度的改變對系統同步性能的影響

由圖3觀察可得由于互注入系統的特性，電流強度對同步性的影響并不大，電流從1變化到1.5，互相關系數的變換范圍是由0.91到1，這個范圍內系統的同步性能都比較好，電流強度對同步性的影響并不大。

圖3 電流強度的改變對系統同步性能的影響

3.2 反饋強度對系統同步性能的影響

圖4觀察可得由于互注入星型網絡的特性，反饋強度對同步性的影響近似為線性，反饋強度從0e9變化到25e9，自相關系數的變換范圍是由0到1，這個范圍內系統的同步性能呈線性上升趨勢，反饋強度對同步性的影響近似認為線性。

圖4 反饋強度對系統同步性能的影響

總結：VCSELs網絡混沌同步是近幾十年來從混沌理論及混沌激光發展起來的新的研究方向，在通信領域中有著廣泛的應用前景。我們仍需做大量的研究工作，努力提高其同步性能、拓展帶寬、提高傳輸速率，以使其更安全。